热采井套管三轴预应力设计分析

传统热采井套管预应力设计的基本原则是根据虎克定律，将施加于套管的预应力与套管升温后的轴向热应力叠加，使其控制在相应温度下套管许用的最小屈服极限以下。由于固井水泥环和围岩的作用．套管升温后存在三向热应力，利用对套管施加轴向预应力来降低套管的轴向热应力，使得套管的热有效应力控制在相应温度下套管许用的最小屈服极限为原则，得到热采套管三轴预应力设计方法，采用2种设计方法对NSO、P110钢级套管进行预拉力设计，得到2种钢级套管不同井深位置预应力的临界温度。     

地层和水泥环弹性模量对套管强度的影响分析

以地层-水泥环-套管组合系统为研究对象,根据弹性力学理论,推导了热应力和非均匀地应力作用下套管壁上的三轴应力计算公式,并研究了热采井和常规非热采井中不同地层、水泥环弹性模量对套管强度的影响规律。研究结果表明,随着水泥环弹性模量的增加,套管内壁Mises应力先急剧增加,后呈缓慢下降趋势;在套管Mises应力达到最大值之前,降低水泥环的弹性模量,可以对套管起到明显的保护作用,这一点对于热采井注汽期间的套管保护效果更加显著;地层弹性模量越大,常规井中套管内壁的Mises应力值越小,而热采井注汽过程中套管内壁的Mi-ses应力值则越大。     

热采井高温对套管强度的影响

注蒸汽热采技术已广泛应用于提高重质油的采收率。在注蒸汽期间, 井下高温使管柱产生附加热应力, 从而可能使其发生塑性屈服、 变形、 断裂或屈曲。热采井中套管的失效几率非常高, 研究套管柱在较高压力的高温蒸汽以及外围的地应力共同作用下的应力分布规律, 对于评估套管的服役状况, 提高套管设计的安全性, 从而减少套管的失效几率具有重要意义。文章根据套管 －水泥环 －地层体系受力情况建立了平面力学分析模型, 根据位移的连续条件求解了管柱与水泥环间的接触应力, 探讨了注气条件下井筒温度的分布情况, 分析了热采井中管柱所受三轴热应力的分布。算例分析结果表明, 三轴热应力值远大于管柱实际的屈服强度, 从而使管柱发生屈服破坏, 为减小热应力对套管寿命的影响, 应合理选择注气参数并合理设计管柱。     

射孔测试改造联作套管强度热结构耦合分析

高温高压深井试油多采用射孔测试改造联作的方式,施工时井底温度会降低很多,从而引起热应力。以SL16井为例,考虑了非均匀地应力与储层改造降温的耦合作用,进行了射孔测试改造联作套管强度热结构耦合场分析,建立了射孔套管-水泥环-地层三维空间有限元分析模型,采用ANSYS有限元软件的间接法分析了射孔套管在温度场和非均匀地应力共同作用下的应力。结果认为,射孔套管内最大等效应力随套管内壁温度与地层初始温度差值的增大而增大;射孔套管内最大等效应力总是在最小地应力方向取得最大值。     

热采井套管的材料温度效应及应力分析研究

考虑套管材料力学性能的温度效应，采用非线性力学中的全量和增量计算方法，建立了热采井套管三轴应力计算模型，举例对比分析了不考虑水泥环／地层影响的轴向应力和考虑水泥环／地层影响的三轴应力，以及所需要施加的预应力值，并计算了热采井套管所能承受的极限温度。由研究得出结论：(1)考虑水泥环／地层影响后，套管因温升引起的应力变化为三轴应力，环向应力较大，而径向应力足以挤毁套管；(2)考虑弹性模量随温变化后，套管热循环应力出现非线性，应采用增量方法计算热应力；(3)准噶尔西北缘百重7井区大量套管损坏的主要原因是注汽强度(温度)过高，超过了所用套管的强度极限。     

稠油注蒸汽热采井套管柱预应力松弛效应分析

为了验证提拉预应力固井技术是否适合井深小于1 000 m的稠油热采注汽井,在280℃的高温蒸汽作用下,对热采N80H和普通N80Q两种套管进行了应力松弛试验;建立了套管-水泥环-地层全井筒平面有限元模型,进一步说明预应力固井技术在浅层稠油热采井中的作用。分析结果表明,稠油热采井在长期高温注蒸汽作业过程中,因管体应力松弛现象而致使预拉力失效;在高温作用下套管上施加的预拉力经过一定时间后会降低;提拉预应力固井对浅层稠油热采井没有效果,不能预防热应力导致的套管失效,建议在浅层稠油热采井中不采用预应力固井技术。     

考虑地应力耦合的热采井套管损坏分析

考虑到热采过程会引起井筒附近地层局部温度场的改变,文中将注汽前地应力、热采过程中局部地应力改变以及套管热应力的作用三种因素进行耦合求解,计算得到套管的最大Von Mises等效应力。计算结果表明,热采注汽初始阶段套管温度迅速上升,使套管柱处于高温场中,在套管内部产生热应力。热采过程引起的局部地应力场改变对套管最大Von Mises等效应力有较大影响,仅仅考虑温度改变对套管Von Mises等效应力的影响是不够的,建议在计算套管Von Mises等效应力时,应尽量考虑地应力的作用。     

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油气田地应力可分为均匀和非均匀两类，相应的井眼和水泥环形状分别为圆形和椭圆形。文章应用有限元方法对不同地应力条件下水泥环形状对套管应力的影响进行了研究。得出结论认为：在均匀地应力条件下，圆形水泥环对套管受力是有利的，应在钻井过程中尽量保持井壁稳定;在非均匀地应力条件下，如果固井质量良好，那么椭圆形水泥环可使套管最大应力及受力不均匀程度有所下降，对套管保护有利，应当在设计与钻井作业中予以利用。另外，数值计算结果表明，在非均匀地应力条件下，套管偏心对套管应力载荷的影响并不大，但尽量保持套管居中仍是必要的。     

水泥环缺失对套管损坏的影响分析

由于水泥环缺失对套管影响的解析求解较为困难,本文采用有限元数值方法,对均匀、非均匀地应力条件下热采和非热采两种情况时水泥环缺失对套管受力的影响进行研究,得出了不同水泥环缺失角度时套管上的应力变化规律.     

热采井套管预应力固井法的探讨

本文从热弹性力学基本方程出发,推导出热采井套管的三轴应力。并根据第四强度理论,分析和比较了三轴应力下的套管许可温升与套管强度之间的关系。结果表明,预应力的效果不大,且当所提预应力使套管轴向应力为零时,反而降低其承受高温的能力。所以,建议不采用预应力固井法。     

辽河油田热采井套损防治新技术

辽河油田稠油热采过程中套管损坏严重。经大量调查研究认为，造成套管先期损坏的原因是：热应力大，油井出砂，API圆螺纹接头和偏梯形螺纹接头不适合热采井要求，水泥封固质量不好，水泥环空段套管易变形，隔热管和隔热措施不力。采取的措施有：提拉预应力，用N80偏梯套管取代普通套管，使用热呆专用水泥返到井口．用良好的隔热管。治理后热采井套管损坏虽有所下降，但套管先期损坏依然严重。采取的新措施主要是：用热应力补偿器减少注蒸汽时套管应力，用TP100H套管以增强抗热变形能力，用TP120TH外加厚套管解决油层套管因出砂和射孔引起的套管轴向应力问题。经过长期的研究与实践，减缓了热采井套管先期损坏速率。参13     

热采井井筒热应力耦合的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立了热采井井筒热应力耦合的瞬态分析模型。分析结果表明,注汽初始阶段套管内会产生较大的热应力;由于套管材料的膨胀系数大于水泥环的膨胀系数,在注汽过程中水泥环限制了套管的热膨胀,从而在套管外壁产生较大的热应力;经过几轮蒸汽吞吐,套管上会积累较高的残余应力。该分析为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供可靠的依据。     

复杂工况下深井套管柱校核软件的开发

为了确保石油开采的顺利、安全进行,针对套管柱三轴应力的受力特征,应用套管柱三轴应力校核的最新理论模型,给出了应用计算机实现套管柱设计的方法和步骤,并编制出套管柱三轴应力校核软件。具体实例测试表明,应用最新套管柱三轴应力校核理论设计的软件能够较好地满足工程需要。     

稠油热采井套损防治措施及计算理论

研究了稠油热采井套损机理,给出了管柱提拉预应力和下入套管热力补偿器两种套损防治措施计算理论。模拟计算表明:设置提拉预应力时,管柱需提拉的最小预应力和最小拉伸长度随管柱温度的升高而先升高后降低;下入套管热应力补偿器时,管柱需要的最小补偿伸长量随管柱温度和长度的增加而增加,但增加趋势变缓。该计算理论可用于指导热采井套损防治的方案设计和施工作业。     

非均匀载荷下厚壁套管抗挤强度分析

非均匀地应力下套管柱强度设计须考虑非均匀载荷对其强度的影响，对此国内外众多学者进行了大量研究，并取得许多有益成果。但这些研究主要以径向的非均匀外载为边界载荷，没有考虑套管外壁受非均匀剪切力的作用；其次，对非均匀载荷下套管磨损、残余应力、不圆度和壁厚不均度等缺陷的影响未作考虑。为此，建立了厚壁套管受径向非均匀挤压和周向受非均匀剪切的力学模型，应用弹性力学逆解法进行了求解，分析了非均匀载荷下厚壁套管的应力分布规律。研究表明，非均匀载荷作用下沿最小水平地应力方向、套管的内壁是承载危险区。由此提出了非均匀载荷等效为均匀外挤载荷的方法，给出了含缺陷套管在非均匀载荷下抗挤强度的分析方法。     

注汽工艺管柱对热采井套损的影响

针对多轮次蒸汽吞吐的情况下 ,胜利油田热采区块套损井数逐年增多的问题 ,分析了不同隔热性能的隔热管对套管温度、热应力分布的影响 ,表明提高隔热管的隔热性能可有效降低套管温度和热应力 ;对隔热管接箍区和封隔器附近套管的温度和热应力进行了计算分析 ,发现在这两个区域套管壁的温度和热应力均大大高于管体区平均值 ,该段套管容易损坏。在此基础上 ,提出采用新型注汽工艺管柱结构、采用高真空隔热油管和改进接箍结构等防止套损技术措施     

深井套管柱安全可靠性影响因素分析

套管挤毁给油田造成了巨大的经济损失。采用弹性力学解析及有限元方法,给出了考虑磨损时套管剩余抗挤强度、抗内压强度以及非均匀地应力作用下套管外壁等效外挤载荷的计算方法,分析了非均匀地应力作用下不同套管磨损量对套管强度以及不同地层性质对套管地应力外挤力的影响。研究表明,当磨损度为109／6时,套管的剩余抗外挤强度和剩余抗内压强度降低约30％;套管内壁的Mises应力和套管外壁地应力外挤力随地层弹性模量的增大均明显减小,说明地层越硬,套管将偏于安全。